Pesquisadores do Berkeley Lab, em colaboração com cientistas do SLAC National Accelerator Laboratory e do Max Planck Institute, demonstraram que o espalhamento de raios-X por flutuação é capaz de capturar o comportamento de sistemas biológicos em detalhes sem precedentes.

Embora esta técnica tenha sido proposta pela primeira vez há mais de quatro décadas, sua implementação foi prejudicada pela falta de fontes de raios-X suficientemente poderosas e tecnologia de detecção associada, métodos de entrega de amostra, e os meios para analisar os dados. A equipe desenvolveu uma nova estrutura matemática e de análise de dados que foi aplicada aos dados obtidos da Linac Coherent Light Source (LCLS) do DOE no SLAC. Este avanço foi relatado recentemente no Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS )

Compreender como as proteínas funcionam em nível atômico permite que os cientistas desenvolvam novas funcionalidades, como a produção eficiente de biocombustíveis, ou para desenvolver drogas para bloquear completamente a função de uma proteína. Para este fim, métodos de imagem molecular tridimensional, como cristalografia de raios-X e microscopia crioeletrônica, fornecem percepções estruturais críticas de alta resolução. Contudo, esses métodos não são adequados para capturar a dinâmica das proteínas em seu ambiente natural. Portanto, os cientistas costumam suplementar modelos derivados de espécimes cristalinos ou criogenicamente congelados com dados de uma técnica chamada dispersão de solução de raios-X, que permite estudar proteínas em temperatura ambiente, sob condições fisiologicamente relevantes.

No entanto, o espalhamento de solução padrão tem suas limitações:No tempo que leva para registrar um padrão de espalhamento de solução de raios-X, as moléculas de proteína giram e se movem muito rapidamente.

"Isso resulta no que é essencialmente uma grande quantidade de borrão de movimento nos dados gravados, dos quais apenas alguns detalhes podem ser deduzidos com segurança, "explicou Peter Zwart, um cientista da equipe da Divisão de Biofísica Molecular e Bioimagem Integrada (MBIB) e membro do Centro de Matemática Avançada para Aplicações de Pesquisa de Energia (CAMERA) no Laboratório de Berkeley.

Evitando movimento borrado

Para superar esses problemas, Zwart e outros pesquisadores do CAMERA, incluindo Kanupriya Pande (MBIB) e Jeffrey Donatelli (Divisão de Pesquisa Computacional), passaram os últimos anos desenvolvendo uma nova abordagem baseada na análise das correlações angulares de pulsos ultracurtos de raios-X dispersos de macromoléculas em solução. Esses pulsos ultracurtos evitam o borrão de movimento e resultam em muito mais informações, rendendo melhor, modelos tridimensionais mais detalhados.

"Um dos benefícios da dispersão de flutuação é que não precisamos trabalhar em uma partícula de cada vez, mas pode usar dados de espalhamento de muitas partículas ao mesmo tempo, "disse Pande. Isso permite um projeto experimental muito mais eficiente, precisando de apenas alguns minutos de tempo de feixe em vez de várias horas ou dias normalmente associados a métodos de espalhamento de raios-X de partícula única.

Uma série de novos algoritmos e matemática desenvolvidos pela CAMERA foram essenciais para o sucesso do experimento. "A teoria por trás do espalhamento de flutuação é muito complexa e os dados do experimento são muito mais complicados do que o espalhamento de solução tradicional. Para fazer isso funcionar, precisávamos de novos métodos para processar e analisar os dados com precisão, "disse Donatelli. Isso incluiu uma técnica sofisticada de filtragem de ruído, o que aumentou a relação sinal-ruído dos dados em várias ordens de magnitude.

"Cinco anos atrás, a dispersão de flutuação foi essencialmente apenas uma ideia legal, sem qualquer indicação se era praticamente viável ou se alguém poderia derivar qualquer informação estrutural de tais dados, "disse Zwart. Desde então, a equipe desenvolveu ferramentas matemáticas para determinar a estrutura desses dados e demonstrou seus algoritmos em dados experimentais idealizados de uma única partícula por tiro.

No trabalho mais recente, Zwart e seus colegas se juntaram a pesquisadores do Instituto Max Planck para demonstrar a viabilidade prática desses experimentos em condições mais realistas. Os autores estudaram o vírus PBCV-1 e foram capazes de obter um nível de detalhe muito maior em comparação com o espalhamento de solução padrão.

"A esperança é que essa técnica permita aos cientistas visualizar detalhes da dinâmica estrutural que podem ser inacessíveis por meio de métodos tradicionais, "disse Zwart. Os planos dos autores para o futuro imediato são estender este método para estudos resolvidos no tempo de como as proteínas mudam sua forma e conformações ao realizar sua função biológica.